[논문 리뷰] Morphological and spectral measurements of 2HWC J1928+177 with HAWC and H.E.S.S

R. López-Coto, V. Marandon외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 08. 10.

Astrophysics and Cosmic Phenomena참고 문헌 4인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 HAWC와 H.E.S.S. 데이터를 융합하여 2HWC J1928+177라는 테바론 영역에서의 형태와 스펙트럼을 분석하며, 이는 83,000년 된 펄서 PSR J1928+1746에 의해 구동되는 펄서 풍 난류(Pulsar Wind Nebula, PWN)일 가능성이 가장 높다고 결론내린다. 이 소스는 10 테바론 이상에서 점원형 형태를 보이며, 경량의 파워-로우 스펙트럼(Γ ≈ 2.6)을 나타내어 전자-양전자 쌍 캐스케이드 방출과 일치하지만, 핵형 모델은 비현실적으로 높은 양성자 가속 효율이 필요로 하여 PWN 기원이 가장 타당한 설명이다.

ABSTRACT

2HWC J1928+177 is a source recently discovered at TeV energies in the second HAWC catalog. It is coincident with the Fermi unidentified source 3FGL J1928+1739 and the pulsar PSR J1928+1746, which is 83 kyr old and located at a distance of 5 kpc with an Edot=1.6 x 10$^{36}$ erg/s. 2HWC J1928+177 is not detected by any of the IACTs currently in operation, which puts strong constrains on the morphology and spectrum of the source. There is no sign of shell-like structure in the region at other wavelengths, which in addition to the presence of a pulsar at the center, points to a Pulsar Wind Nebula origin of the TeV emission. We present a dedicated morphological and spectral analysis of the region using HAWC and H.E.S.S. data to unveil the nature of the source and study its properties.

연구 동기 및 목표

• HAWC가 탐지한 2HWC J1928+177의 테바론 감마선 방출의 기원을 규명하는 것.
• 다중 기기 데이터를 활용하여 소스의 형태 및 스펙트럼적 성질을 해명하는 것.
• 방출 기원이 펄서 풍 난류(PWN)인지, 또는 양성자-양성자 충돌을 포함한 핵형 기원인지 테스트하는 것.
• 펄서의 자전 감쇠 에너지와 연령에 기반한 PWN의 현상학적 모델과 소스의 일관성을 평가하는 것.

제안 방법

• 760.3일의 유용 시간(2014년 11월 ~ 2017년 2월) 동안의 HAWC 데이터를 fHit 기반 에너지 구간을 사용하여 분석하여 고에너지에서의 각도 해상도를 향상시키고 형태를 탐지하였다.
• H.E.S.S. 상한선은 30시간의 관측을 바탕으로 0.1° 및 0.4° 통합 반경을 사용하였으며, 안전 기준은 약 500 GeV였다.
• 스펙트럼 피팅은 단일 파워-로우 모델을 사용하였으며, dN/dE = f₀(E/E₀)⁻ᵞ로 표현되었으며, E₀ = 7 TeV, f₀ = (1.07 ± 0.12)×10⁻¹⁴ TeV⁻¹ cm⁻² s⁻¹, 및 Γ = 2.60 ± 0.09였다.
• 현상학적 PWN 모델을 적용하여 소스의 테바론 효율, 빛줄기, 그리고 광자 지수를 펄서의 자전 감쇠 에너지 및 특성 연령에 따라 펄서 집단의 경향성과 비교하였다.
• π⁰ 붕괴를 통한 핵형 방출 모델을 테스트하였으며, 중간 밀도는 n = 1 cm⁻³로 가정하였다.
• 에너지 예산 계산을 통해 1 테바론 이상의 전자 에너지(Wₑ = 4.9⁺¹.⁶₋₁.²×10⁴⁷ erg) 및 양성자 에너지(Wₚ = 1.72⁺⁰.¹₃₋₀.³×10⁵⁰ erg) 총량을 추정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 2HWC J1928+177의 VHE 감마선 방출은 PSR J1928+1746에 의해 구동되는 펄서 풍 난류(PWN) 기원과 일치하는가?
• RQ2 10 테바론 이상의 에너지에서 소스의 본질적 형태는 어떻게 되며, 에너지 의존적인 구조를 보이는가?
• RQ3 관측된 스펙트럼은 전자-양전자 쌍 캐스케이드 방출로 설명될 수 있는가, 아니면 핵형 성분이 필요한가?
• RQ4 관측된 VHE 방출을 공급하기 위해 펄서의 자전 감쇠 에너지 중 얼마나 많은 비율이 필요하며, 이는 PWN에 대해 타당한가?
• RQ5 빛줄기, 효율성, 스펙트럼 지수 측면에서 알려진 PWN 집단과 비교해 볼 때 소스는 어떻게 다를까?

주요 결과

• HAWC에서 2HWC J1928+177를 탐지한 결과의 유의성은 약 10σ이며, 파워-로우 스펙트럼은 dN/dE = (1.07 ± 0.12)×10⁻¹⁴ TeV⁻¹ cm⁻² s⁻¹ × (E/7 TeV)⁻².⁶⁰으로 피팅되었으며, 이는 약 1 테바론에서 86 테바론까지 유효하다.
• 10 테바론 이상의 에너지에서 소스는 약 0.2°의 각도 해상도로 점원형으로 보이며, 고에너지에서의 밀집된 형태를 시사한다.
• H.E.S.S. 상한선은 최대 0.4°의 소스 크기와 일치하지만, HAWC 데이터는 고에너지에서 더 작은, 점원형 형태를 지지한다.
• 전자 기반 PWN 모델은 펄서 자전 감쇠 에너지 및 연령에 따른 현상학적 PWN 경향성의 68% 신뢰구간 내에 빛줄기, 테바론 효율성, 광자 지수 측면에서 들어맞는다.
• 핵형 모델은 초신성 폭발 에너지의 10% 이상이 1 테바론 이상의 양성자 가속에 투입되어야 하며, 이는 일반적인 SNR 환경과 부합하지 않아 비현실적으로 높은 수준이다.
• 1 테바론 이상의 전자 총 에너지는 Wₑ = 4.9⁺¹.⁶₋₁.²×10⁴⁷ erg이며, 이는 펄서의 총 자전 감쇠 에너지 예산의 소수점 약 0.5%에 불과하여 전자 기반 방출이 타당하다.